Convexidad y subgradientes · Definición

Subgradiente

optimización continuaconvexidad y subgradientes

Cuando una función convexa tiene esquinas o picos, el gradiente no existe en esos puntos. El subgradiente permite seguir usando ideas de optimización en esos casos.

Definición

El subgradiente es una generalización del gradiente para funciones convexas no diferenciables: en cada punto, es un vector g que define una cota inferior affine de f, es decir, f(y) ≥ f(x) + gᵀ(y − x) para todo y.

\[f(y) \geq f(x) + g^\top (y - x)\]

El conjunto de todos los subgradientes de f en x se llama subdiferencial, \( \partial f(x) \). Si f es diferenciable en x, el subdiferencial se reduce al único vector \( \{\nabla f(x)\} \). Además, para una función convexa el subdiferencial es siempre un conjunto convexo y no vacío en el interior de su dominio.

Consideremos \( f(x) = |x| \). En \( x = 0 \), el subdiferencial es el intervalo \( [-1, 1] \), porque cualquier pendiente en ese rango queda por debajo de la función. En \( x = 2 \), en cambio, \( \partial f(2) = \{1\} \), igual al gradiente.

Un error típico es pensar que el subgradiente debe ser único, como el gradiente. En puntos de no diferenciabilidad hay infinitos subgradientes, y elegir uno arbitrario no equivale a calcular la derivada, por lo que no basta con cualquier valor en un punto anguloso.

Para pensar

¿Por qué el subdiferencial de \( |x| \) en \( x = 0 \) no puede ser un único número?

Porque hay infinitas rectas que pasan por \( (0,0) \) y quedan por debajo de \( |x| \) (pendientes entre \( -1 \) y \( 1 \)), así que el conjunto tiene infinitos elementos.

Ejercicios 10

Después de esto

Referencias

  • Stephen Boyd, Lieven Vandenberghe, Convex Optimization, 1st edition, Cambridge University Press, 2004.
  • Jorge Nocedal, Stephen J. Wright, Numerical Optimization, 2nd edition, Springer, 2006.